特勒根定理

数学术语

特勒根定理,于1952年由伯纳德·特勒根提出,是电路网络分析理论中最重要的理论之一。由特勒根定理可以推出电路网络理论中大多数能量分布定理和极值定理。特勒根定理给出了遵守基尔霍夫电路定律的电路之间的一个简单关系。

简介
特勒根定理适用于许多电路网络,只要该网络满足总电流守恒(基尔霍夫电流定律(KCL))且所有闭合回路电压代数和为零(基尔霍夫电压定律(KVL))。特勒根定理在分析电路和与电路相类似的复杂网络(如神经系统代谢网络、管道网络与化工过程网络)中是一种常用的工具。
作用
应用特勒根定理可方便地证明电路中的互易定理、复功率平衡定理等。
特勒根定理1明确反映了电路实际功率的守恒。但特勒根定理2曾仅仅被认为只有功率守恒的数学形式,却无法与实际电路对应,因此定理2也被称为“拟功率定理”。定理2后也被证明反映了电路实际功率的守恒,并具有共轭性。
定律
现讨论以G描述的一个有 b 条边和个节点的网络。对于一个电路网络,边表示二端元器件,节点处为元件间的电气连接。对图中所有边设其两端电势差为,支路电流为()且均取关联参考方向。若所有的回路电压均满足KVL且节点电流都满足KCL,则有:
特勒根定理的应用十分广泛,适用于许多电路,无论其是否包含非线性元件、是否是稳恒电路。而且对电流电压做线性变换不影响特勒根定理的成立,因为KCL与KVL不受线性变换影响。例如对电流电压取平均时或拉普拉斯变换下特勒根定理仍然成立。特勒根定理的另一个常用推广是对拓扑结构相同(关联矩阵相同)的两个不同网络的支路电压和电流的积之和仍为零。即:
式中、是第一个网络的电流电压,、是第二个网络的电流电压。特勒根原理的这一推广可导出二端口网络的许多性质。
应用
许多物理系统都可以进行网络模拟以分析其动力学性质。特勒根定理对这些网络都适用,其中应用得最多的还是传统的电路分析领域。特勒根定理在滤波器设计方面有广泛的应用。
特勒根定理还可以应用于生化过程的研究。类似热力学不可逆的动力学系统可以模拟为满足基尔霍夫定律的电路,再运用特勒根定理来研究反应网络的拓扑结构(例如反应机理与代谢网络)。
特勒根定理亦可用于求复杂系统如化工厂和炼油厂的稳定性和优化方案。类似的有生产节点和物流链的过程系统均可用特勒根定理分析其生产与消费。
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